连接葡萄糖代谢与人类大脑皮层的内在功能组织

为何大脑能量与日常思维息息相关

人类大脑对燃料的需求众所周知，即便静坐闭眼时也消耗了身体大量的葡萄糖。然而，这种能量并非在皮层中均匀分配：有些区域耗能高昂，而另一些则相对节俭。本研究提出了一个看似简单但意义重大的问题：我们能否从大脑在静息状态下的连线与同步方式来解释这些区域性的能量开销？

一幅静息大脑活动的图谱

为了解答该问题，研究者将两种强大的脑成像方法结合起来。一种是使用类似葡萄糖示踪剂的正电子发射断层成像（PET），它显示皮层中哪些部位摄取更多或更少的糖，作为能量使用多少的替代指标；另一种是静息态功能磁共振成像（fMRI），跟踪在不同区域中共同升降的微小血氧波动，从而揭示即便在个体未执行特定任务时哪些区域倾向于协同活动。基于这些时间关联信号，团队构建了一个360个皮层区域之间功能连接强度的全局图谱。

将复杂连线压缩为简单模式

完整的连接图是高维的：每个区域都有与所有其他区域的长长连接强度列表。作者没有将每一条连接单独对待，而是使用一种数学方法将这盘纠结简化为一组在皮层上平滑变化的“梯度”。每个梯度都是一条广泛的轴线，沿轴线相邻区域的连接特征逐步变化——例如从处理外界视觉和听觉输入的感觉区，逐渐过渡到参与更抽象思维的联合区。将多个此类梯度叠加，他们得到了一种对大脑内在功能组织的紧凑描述。

从静息连接预测能量使用

研究的核心是一系列模型，探讨这些梯度的不同组合能在多大程度上重构皮层范围内的葡萄糖使用模式。研究者先仅用第一个梯度，然后逐步加入最多100个梯度。随着更多梯度被纳入，模型对区域间能量差异的解释力增加，起初陡增随后趋于平缓。仅用五个梯度时，模型已能达到或超过基于传统网络指标的早期方法的表现。使用约六十个梯度时，模型捕获了超过70%的区域性葡萄糖摄取差异，表明区域在功能网络中的嵌入方式与其能量消耗之间存在紧密关联。

强连接在能量图景中占主导

一个重要发现是，研究者可以在构建梯度时调整对较弱与较强功能连接的权重。他们发现，主要基于最强连接构建的梯度在预测能量使用方面表现最佳。通过使底层连接矩阵不那么稀疏来加入较弱连接的信息，并不能改善与葡萄糖图谱的匹配。这一模式暗示，大脑的主要能量需求更可能与其主导的通信路径相关，例如那些在远距离网络间协调信息的枢纽区域，而非众多微弱、可能冗余的连接。

左右半球在能量与功能上的差异

团队还探讨了长期已知的两半球功能差异是否在它们的能量组织中有所体现。通过分别计算左、右半球的梯度、对齐这些梯度并比较它们预测半球葡萄糖使用模式的能力，研究者发现每一侧在组织与能量关系上存在适度但可检测的差异。将两半球独立建模的模型优于强制它们共享相同参数的模型。然而，即便是最佳模型也仅对能量使用的不对称性解释了约一半，且像对齐困难等技术因素可能使结果变得模糊，因此这些发现需谨慎解读。

这对理解大脑意味着什么

对普通读者而言，关键结论是大脑的能量预算并非随机分布：它紧密遵循区域在静息状态下的通信格局。少数宽泛的组织轴线，尤其是区域间最强的功能连接，在解释为何某些皮层区域代谢成本高而另一些较为节俭方面作用显著。这为将皮层视作一个能量优化景观提供了新框架，其中连线图与燃料使用紧密相连。未来，这种方法或能帮助科学家理解为何在破坏连接性和代谢的神经和精神疾病中，某些网络尤其脆弱。

引用: Wan, B., Riedl, V., Castrillon, G. et al. Bridging glucose metabolism and intrinsic functional organization of the human cortex. Commun Biol 9, 377 (2026). https://doi.org/10.1038/s42003-026-09693-w

关键词: 大脑能量代谢, 功能连接性, 静息态功能磁共振成像, FDG PET, 皮层梯度